论文研究-基于CANARY理论模型的海洋环境噪声场的数值模拟 .pdf-资料库

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于 CANARY 理论模型的海洋环境噪声场的数值模拟# 石杰* 5 10 （陕西省西安市西北工业大学航海学院，西安 710072）摘要：本文提出了基于 CANARY 模型的海洋环境噪声场的数值模拟方法。首先提出噪声源在海水中的分布特性（密度、范围等），然后从理论上计算所有噪声源在基阵接收点处的空间相关函数和指向性（垂直和水平），最后同场实验结果进行比较，确定模型的有效性。仿真结果显示数值模拟方法产生的各向同性和各向异性噪声场的空间相关性特性与理论分析基本一致，表明该方法是有效的。关键词：电子技术；CANARY 模型；海洋环境噪声；数值模拟中图分类号：TN911 15 The numerial simulating method of ocean ambient noise feild based on CANARY model Shi Jie (School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072) 20 25 Abstract: In this paper a numerical simulation method was proposed to simulate the ocean ambient noise field based on CANARY model. Firstly, the charicteristics of noise sourecs in the ocean were presumed, for example, the density,range etc. Then the spatial coherence functions and directional properties of the combination of all the noise sources on the center of recerver array are calculated by theory method. Finally we compared the theoretical results with experimental results for proving the nemurical simulation method is correct and effective. Key words: Electronics Technology; CANARY model; Ocean ambient noise; Numerical simulation 0 引言 30 在水声信号处理中，需要用到海洋环境噪声的信息，作为干扰背景，充分了解它的特性、它与目标信号特性的差异，对于实现低信噪比探测、定位、物理意义取值原则设计都具有重要意义。声基阵的仿真分析需要产生模拟噪声场，但是现有的噪声场数值模拟方法中，大都是产生相互独立的噪声数据，这在阵元间距大于信号波长一半时是近似成立的，而对于阵元间距远小于波长的超增益阵或矢量水听器阵，却不能简单假设各阵元接收的噪声相互独立， 35 而必须考虑噪声的空间相关性。在实际海洋环境中，各种声源如海面波浪、远方行船、海洋生物发声等都对噪声场有影响。设计水声基阵时，要求对海洋环境噪声的指向性、空间相关性以及噪声级有充分的了解，这样不仅能确定基阵的输出信噪比，还能够设计基阵的阵列流形向量，提高阵增益，增强基阵对噪声的抑制能力，因而建立海洋环境噪声场模型十分必要。从 Cron 与 Sherman[1]于 20 世纪 60 年代第一次提出噪声模型开始，海洋环境噪声模型不断得到完善，噪声的传播模型由直观的射线传播模型发展到简正波、抛物方程、波数积分 40 以及 WKBZ 等传播模型，噪声模型考虑的环境参数也越趋复杂和实际。CANARY 模型是基金项目：教育部博士点新教师基金（20116102120011）作者简介：石杰（1980-），女，讲师，主要研究放下：水声信号处理. E-mail: shijienpu@nwpu.edu.cn - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 上个世纪九十年代中期 Harrison 提出[2]的一种基于声线理论的海洋环境噪声模型，适用于与距离无关的海洋环境，也可以推广到与距离有关的海洋环境下使用。这个模型可以计算噪声级、相关函数、噪声指向性，并能够计算分布式噪声源如风、雨和远处行船引起的水声接收 45 基阵响应。该模型理论分析简单易懂，且精确度很高，是基于声线理论的海洋环境噪声模型中比较具有代表性的。本文以 CANARY 理论模型为基础，通过计算海洋中任意布放的声基阵接收到的各种噪声源的响应，研究实现数值噪声场的数值模拟方法，并通过计算典型情况下的噪声场空间相关性验证了数值模拟方法的正确。 50 1 CANARY 模型理论概述 Harrison 对声传播作射线处理。假设噪声源均匀分布在海面上，计算时只需要考虑能连接海面噪声源和接收器的声线（即本征声线）。 r θs θr zr 噪声源海面海底 dsinγcos(φ-) 放大后的水听器对 55 dcosγcos(φ-) 图 1 CANARY 射线模型的几何表示图形 Fig.1 the geometry figure of CANARY rays model 如图 1 所示，水听器间隔为 d，俯仰角为γ，方位角。接收器接收到的来自海面上位于距离 r 处的单位声源的声压可以表示为 60 其中为本征声线路径序号，、分别是每条声线的幅度、相位，为声线到达角，为接收器深度。两接收器之间的相关函数如下 (1) (2) 其中代表单位面积的噪声源数目，为讨论方便，令；为噪声源指向性，取作，为本征声线出射角；为声源方位角；、为声源到两个接收传 65 感器的水平距离；、为两个接收传感器的深度。本文不考虑各条声线之间的相干，即各声线噪声按能量相加。若两接收器靠得很近，以至于可认为从同一个源发出的声线族在接 - 2 - (,,)(,)(,,)eprriBzrrprrpzrAzrppApBrrz22112200(,)(,)(,)()sdqzrzrgrdrdq1q()sg()sinmssgs1r2r1z2z

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 收器处相互平行，则它们幅值相同，而存在相位差，是入射声线与水听器对连线的夹角。由图中的几何关系得到 70 于是，(2)式变为： (3) (4) 式中是声线携带的声强，由射线声强的公式得到（5）声源接收点 75 图 2 单条射线路径传播示意图 Fig.2 the transmission path of single ray 式中是声线经历 n 个整数循环的介质吸收和界面反射损失，是不足一次完整循环 80 的那段传播路径的介质吸收和界面反射损失。为了更好的理解，以示意图 2 为例，图中所示为海面声源的单条本征声线的传播情况，声线历经 2 个整数循环（从声源深度处出发到下一个声源出射深度处）重新到达声源所处深度处，那么为两次海底损耗、两次海面损耗和吸收损失之和；剩余的从声源深度处到接收点处不足一个完整循环，为一次海底损耗和这一段的介质系数损失之和。和具体的公式如下： 85 90 （6）其中，是海面和海底反射系数，是吸收损失，是单次循环的声学长度，是介质吸收系数。海面 6 射系数由频率 f (kHz)和风速 w( )来确定[178] 海底吸收系数与海底边界损耗的关系如下： (7) 海底边界损耗的计算公式在下一节列出，在与距离无关的环境中 (8) - 3 - coskdcoscoscoscos()sinsin22cos200(,)(,,)()ikdprrspdAzregrdrd2pA2cos(/)sinrnrsAQPrdrdnPQnPQnPQ1()()cjnsnssjbbjjPRResRbRcjsecssR-1ms43/24exp(5.5710sin)ssRfwbRbTL2010bTLbRbTL1P2PQcscsps

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn (9) (10) 将以上结果代入(2)式得到：值得注意的是原来的积分变量被抵消了，这是因为声线扩展引起的强度衰减被表面上噪声源面积的增加严格地抵消了,原来对的积分变成对的积分，不同的对应不同的 (11) 表面源区域。由于相关函数的表达式变为令上式中，得到总的噪声强度 ,可用于理论计算。将(13）式进一步简化，得到 (12) (13) 95 100 105 (14) 该模型关键是在给定海面、海底反射系数、介质的吸收系数的条件下，追踪连接海面和接收器的本征声线；计算噪声源信号到接收点处的传播损失；限定到达接收器的声线的角度范围。因此寻找本征声线和计算传播损失是建模的重要部分。 110 2 CANARY 模型的数学模拟 CANARY 模型的数学模拟方法和 Cron 与 Sherman 模型类似，首先确定噪声源的空间分布，本文中只讨论海洋表面均匀分布的风成噪声的数学模拟，对于远处行船噪声，实际的建模过程与风成噪声相同，只是行船噪声的噪声源的空间分布不均匀，需要获知一些输入条件，比如某一海域的航线密度图和舰船噪声源级等。 115 对于风成噪声，首先确定每一个噪声源的空间分布，然后每一个噪声源都需要用文献[3-5]中提供的本征声线计算程序找出噪声源到接收点处的传播路径，计算沿各路径传播到接收点处的时延和幅度衰减，将所有路径的响应相加，得到这一噪声源在接收点处的总响应 (15) 120 然后将所有噪声源的响应迭加，得到噪声场在接收点处的响应为 (16) 进行数值模拟时需要将模拟场的空间相关性值与理论推导值相比较，但是由于考虑到海水的 - 4 - ()()cbnsnnnssbPRRe0()0ppsrsbbreQRe22cos2020(,)()sincosikdnsnsrrdePgQddrdrrrr001()()1()()ccnsnnnssbbsssbbPRReRRe1221cos02(,)()sin1()()coscskdssssbbrrdQgRReedd0dNI12()sinsinsinsin0(,)21pcpcrrssssikdiksbbdRReeeRee210(coscos)sincosmrsrrJkdd()ist()ist()()ininnntast()()()ininiinytntast

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 声速、海面海底的影响，CANARY 模型并不像 Cron 与 Sherman 模型那样有明确的理论公式，因此本文首先将对两种有相对明确的空间相关性理论公式的特殊情况[6]进行模拟场验证（只 125 分析偶极子情况，即 m=1），然后给出普通情况下的数值模拟场模拟结果。 2.1 仅有海面损耗的情况假定，，，其中由公式(7)确定，那么公式(13)简化为 (17) 令，得到噪声强度值，进而将相关函数进一步简化，得到 130 其归一化互相关函数为 (18) 上式的积分区间是由所有声线到达角的最小值和最大值确定的，和是根据给定的声速剖面和接收点的深度决定的，对于和（例如典型的负声速梯度分布）情况，将(17)式进一步简化，得到空间相关性函数为 135 (19) 公式(19)是相对简洁确定的理论公式，有利于数值模拟场的验证。进行数值模拟时需要设定以下几个条件：①声速剖面为典型浅海负梯度声速分布条件下的声速剖面；接收点深度米；阵元间距米；②所取本征声线数目：取前 10 条强度衰减最小的声线；③噪声源分布形式：与文献[7]中 Cron 与 Sherman 表面效应噪声场 140 的噪声源分布形式不同，因为考虑到计算理论互相关函数时声线扩展引起的强度衰减被表面上噪声源面积的增加严格地抵消了，因此需要增加噪声源分布密度，否则数值模拟出的噪声场不精确。具体分布形式如下：以接收点中心对应的海面上的点为原点，用为间隔将半径为的表面圆分为个圆环，那么每个环的中心圆周上的噪声源具有相同的传播水平距离： 145 （20）为了抵消强度衰减，将水平传播距离为的圆周上均匀放置个独立噪声源，其中为所取本征声线数目，那么每个噪声源所处的方位角为： (21) 在数值仿真中，设定，，，以水平放置和垂直放置的一维标准 150 声强探头为例，数值模拟该条件下的噪声场，并计算空间相关函数，与理论值相比较，验证模拟噪声场的性能，比较结果如图 3 和 4 图。从图中可以看出，模拟值与理论值还是有一定的差距，原因在于 N 值取得不够大，使得水平距离较远的噪声源贡献不够，从而使模拟场的互相关特性倾向于距原点较近的模拟场 - 5 - 1bR0sinsssRes1004(,)cos(sinsin)(coscos)cosrrrrsdkdJkdd0d104(sinsin)NsI10010cossinsin(coscos)cos/(sinsin)rrrrCkdJkdd01010012sinkdCkd100rz0.4drRNrN(21)2iixrr1iNixr2xrPP22jPjxr21xrjP10r50N10P

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 特性，这也说明本文的数值模拟方法是有效的。 155 图 3 负声速梯度下模拟场水平相关性图 4 负声速梯度下模拟场垂直相关性 Fig.3 The horizontal coherence of numerical ocean Fig.4 The vertical coherence of numerical noise field with negative sound velocity gravity ocean field with negative sound velocity gravity 2.2 仅有海底损耗的情况 160 假定，，，其中可由给定的海底反射系数求出，那么公式（13）简化为： (22) 在等声速情况下，，得到噪声强度值，进而将相关函数进一步简化，得到其归一化互相关函数与(19)式有相同的形式。在声速值不相等的情况下， 165 声强的计算较为复杂，因而不能提供明确的归一化互相关函数的形式，因此，这里只对等声速条件下的 CANRY 模型进行数值模拟，验证模拟场是否符合理论要求。进行数值模拟时需要设定的条件：①声速值米/秒；海深 200 米；接收点深度米；阵元间距米； ②噪声源分布形式同上，，，。 170 图 5 等声速下模拟场水平相关性图 6 等声速下模拟场垂直相关性 Fig.5 The horizontal coherence of numerical Fig.6 The vertical coherence of numerical ocean noise field with equal sound velocity gravity ocean field with equal sound velocity gravity 2.3 一般情况下的噪声场数值模拟对于实际情况，扩展损失、吸收损失、边界损耗同时存在，而且不能简单的用形 175 式来表示，声速剖面也将更为复杂，此时，噪声场的理论互相关函数不能用简单的公式表示，但是与上面讲述的特殊情况相同，数值模拟方法仍然可以模拟出任意点处的噪声场，计算出 - 6 - 1sR0sinbbbReb100sin4(,)cos(sinsin)(coscos)cossinsrrrrbbdkdJkddsb104(sinsin)NbINI1500c20rz0.4d10r50N10Psine012345678910-0.4-0.200.20.40.60.81kd归一化互功率谱模拟场互谱实部理论互谱值012345678910-0.4-0.200.20.40.60.81kd归一化互谱实部模拟场互谱实部理论互谱值012345678910-0.4-0.200.20.40.60.81kd归一化互功率谱模拟场互谱实部理论互谱值012345678910-0.4-0.200.20.40.60.81kd归一化互功率谱模拟场互谱实部理论互谱值

中国科技论文在线任意两点间的互相关函数。 http://www.paper.edu.cn 进行数值模拟时需要设定的条件：①声速剖面：给出一组实际测量的声速剖面[8]，接收点深度米； ②海面反射系数由式(7)计算，风速米/秒；海底反射系数由 180 式(8)计算，详细参数同本征声线计算；吸收系数由式(23)计算；③噪声源分布形式同上，，；④两接收点连线的俯仰角为，方位角为，间距为，米。 (23) 频率 f 的单位是千赫。 185 Fig.7 The normalized cross-spectrum of simulating ocean field with specific sound velocity file 图 7 给定声速剖面模拟场归一化互功率谱 190 图 8 数值模拟噪声场模型框图 Fig.8 the Frame block of numerical simulating ocean noise field 3 任意噪声场数值模拟 Cron 与 Sherman 模型相对简单，基于这个模型只能模拟简单情况下的海洋环境噪声场比如深海环境，但是 CANARY 模型噪声场数据的产生需要一些外部条件的输入，比如声速 195 分布、接收点深度、海底损失、海况（风速）、噪声源水平距离、噪声源频谱特性以及目标参数等，如果将其扩展，不仅可以模拟风成噪声、远处航船噪声，还可以将降雨、生物、远方声源等考虑在内，形成一个完备的噪声场模型，用于模拟实际海洋情况，补充实验数据的不足。图 8 简单地给出了数值模拟噪声场模型框图，输入量给出的越充分，模型就越接近于实际海洋噪声环境。 - 7 - 400rzsR6w20r100N10P360.4d24223.0110(1.09(1))(43.7(4100))xTLrfffr024681012-0.200.20.40.60.81kd归一化互功率谱模拟场互谱实部模拟场互谱虚部系统参数环境参数噪声源分布声源谱特性独立噪声源产生本征声线运算传播损失传播时延接收点处噪声响应接收点处噪声数据输入输出

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 200 4 结论本文给出了利用数值模拟方法模拟产生基于 CANARY 模型的海洋环境噪声场的方法，通过比较两接收点处的互相关函数的理论值与模拟值，验证了本文的噪声场数值模拟方法是正确的。但是本文的噪声场数值模拟方法不仅仅能够计算任意两点间的互相关函数，其重要价值还在于能够在设定的条件下产生空间任意接收点处的噪声数据值，可以用于预报实际海 205 洋环境场，计算噪声场的空间指向性，以及计算接收点处信噪比等，可用于在实验室条件下分析和检验水声基阵的性能。 [参考文献] (References) [1] Cron,B.F. and Sherman,C.H. Spatial-correlation functions for various noise models[J]. Journal of Acoustic Society of America, 1962,34(11):1732-1736 [2] Harrison, C.H. CANARY: A model of ambient noise, coherence and array response[J]. Applied Acoustics,1996,99:2055-2066 [3] 孙枕戈. 分层海洋介质中本征声线的快速计算[J]. 应用声学，1996,16(4):7-12 [4] 王百合，冯西安，黄建国. 一种分层海洋中求取本征声线的新方法[J]. 微处理机,2006(1):63-65 [5] 李永平，毛卫宁. 基于分层海洋射线模型的接收信号仿真[J]. 声学与电子工程， 2003(69):12-15 [6] Horvat, D.C.M; Bird, J.S; Crouling, M.M. True time-delay bandpass beamforming[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1992,17(2):185-192 [7] 石杰，张效民，侯铁双等， Cron 与 Sherman 模型海洋环境噪声场数值模拟方法 . 系统仿真学报,2010,26(3):573-577 [8] 周延. 水声通信信道射线模型的研究[D]. 西安：西北工业大学，2003 210 215 220 - 8 -

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